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Chemie · Klasse 13 · Kapitel

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Säure-Base-Reaktionen: Protolyse, pH-Wert und Titration

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1Ich beschreibe Säure-Base-Reaktionen nach Brønsted als Protonenübergang und finde korrespondierende Säure-Base-Paare.

MerkenProtolyse

Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt es auf.

Beide bilden ein korrespondierendes Paar, die Reaktion ist umkehrbar.

BeispielProtolyse: Protonenübergang und korrespondierende Paare

Chlorwasserstoff reagiert mit Wasser: HCl + H₂O → Cl⁻ + H₃O⁺. Welche Rolle hat das Wassermolekül in dieser Reaktion?
Schritt für Schritt
  1. Das HCl-Molekül gibt ein Proton ab.
  2. Das Wassermolekül nimmt es auf.
  3. Wer ein Proton aufnimmt, ist die Base.
  1. Das HCl-Molekül gibt ein Proton ab.
  2. Das Wassermolekül nimmt es auf.
  3. Wer ein Proton aufnimmt, ist die Base.
Ergebnis:
Base, es nimmt ein Proton auf

AchtungProtonendonator und Protonenakzeptor vertauscht

So nicht
Das Teilchen, das ein Proton aufnimmt, ist die Säure.
So richtig
Die Säure gibt ein Proton ab (Donator), die Base nimmt es auf (Akzeptor).

Zeichne einen Pfeil für das Proton und markiere seinen Start und sein Ziel.

ÜbenJetzt du

  1. ○1
    In der Reaktion CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei korrespondierende Paare. Welche sind es?
    So fängst du an:
    Ein Paar unterscheidet sich um ein Proton.
    Lösung zeigen
    1. Ein Paar unterscheidet sich um ein Proton.
    2. CH₃COOH gibt es ab und wird zu CH₃COO⁻.
    3. H₂O nimmt es auf und wird zu H₃O⁺.
    Ergebnis:
    CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O
  2. ●2
    Welches Teilchen bildet mit dem Ammonium-Ion NH₄⁺ ein korrespondierendes Säure-Base-Paar?
    Lösung zeigen
    1. Ein korrespondierendes Paar unterscheidet sich um genau ein Proton.
    2. NH₄⁺ gibt ein Proton ab.
    3. Es bleibt NH₃.
    Ergebnis:
    NH₃, das Ammoniak
  3. ★3
    Ammoniak reagiert mit Wasser nur zu einem kleinen Teil zu Ammonium- und Hydroxid-Ionen. Wie lässt sich das erklären?
    Lösung zeigen
    1. Ammoniak nimmt Protonen von Wasser auf.
    2. Ammonium-Ionen geben Protonen an Hydroxid-Ionen zurück.
    3. Im Gleichgewicht sind beide Geschwindigkeiten gleich.
    Ergebnis:
    Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein

2Ich leite aus dem Bau eines Teilchens ab, ob es als Säure, als Base oder amphoter wirkt.

MerkenBau und Funktion

Eine Säure hat ein polar gebundenes Wasserstoffatom, eine Base ein freies Elektronenpaar.

Ampholyte haben beides.

BeispielBau von Säure- und Base-Teilchen, Ampholyte

Das Teilchen CO₃²⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
Schritt für Schritt
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
  1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
  2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
  3. Nur das zweite Merkmal: Base.
Ergebnis:
Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben

AchtungNur ein Strukturmerkmal beachtet

So nicht
NH₄⁺ besitzt ein Wasserstoffatom und ist deshalb ein Ampholyt.
So richtig
Ein Ampholyt braucht beides: ein abspaltbares Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar.

Prüfe beide Merkmale nacheinander und schreibe zu jedem ja oder nein.

ÜbenJetzt du

  1. ○4
    Das Teilchen HSO₃⁻ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    So fängst du an:
    Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Beides vorhanden: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  2. ●5
    Das Teilchen ClO⁻ besitzt kein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: nein.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Nur das zweite Merkmal: Base.
    Ergebnis:
    Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  3. ★6
    Das Teilchen HCO₃⁻ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Beides vorhanden: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen

3Ich weise Chlorid-, Bromid-, Carbonat-, Hydroxid-, Oxonium- und Ammonium-Ionen nach.

MerkenNachweise

Silbernitrat fällt Chlorid weiß und Bromid gelblich.

Carbonat gibt mit Säure Gas, Ammonium mit Lauge Ammoniak.

BeispielNachweisreaktionen für Ionen

Eine Probe sprudelt beim Zutropfen von verdünnter Salzsäure, und das Gas trübt Kalkwasser. Welches Ion enthält die Probe?
Schritt für Schritt
  1. Das Gas trübt Kalkwasser.
  2. Es ist Kohlenstoffdioxid.
  3. Es entsteht aus Carbonat und Säure.
  1. Das Gas trübt Kalkwasser.
  2. Es ist Kohlenstoffdioxid.
  3. Es entsteht aus Carbonat und Säure.
Ergebnis:
Carbonat-Ionen

AchtungReagenz und Probe verwechselt

So nicht
Salzsäure zugeben und im Ergebnis Chlorid nachweisen.
So richtig
Das Reagenz bringt eigene Ionen mit. Wer Chlorid nachweisen will, setzt kein Chlorid zu.

Nenne zu jeder Beobachtung, ob das Ion aus der Probe oder aus dem Reagenz stammt.

ÜbenJetzt du

  1. ○7
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Oxonium-Ionen?
    So fängst du an:
    Zuerst wird das Reagenz für Oxonium-Ionen gesucht.
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Oxonium-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot.
    Ergebnis:
    Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot
  2. ●8
    Welche Beobachtung gehört zum Nachweis von Chlorid-Ionen?
    Lösung zeigen
    1. Zuerst wird das Reagenz für Chlorid-Ionen gesucht.
    2. Dann folgt die kennzeichnende Beobachtung.
    3. Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst.
    Ergebnis:
    Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst
  3. ★9
    Eine Probe enthält Chlorid- und Carbonat-Ionen. Wie lässt sich Chlorid sicher nachweisen?
    Lösung zeigen
    1. Carbonat stört, weil Silbercarbonat ebenfalls weiß ist.
    2. Salpetersäure entfernt das Carbonat als Gas.
    3. Danach fällt nur noch Silberchlorid aus.
    Ergebnis:
    Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben

4Ich wende das Massenwirkungsgesetz auf Protolysen an und deute Säurekonstante und pKs-Wert.

MerkenSäurekonstante

Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA), Wasser steht nicht im Bruch.

Je kleiner pKs, desto stärker die Säure.

BeispielMassenwirkungsgesetz, Säurekonstante und pKs-Wert

Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HClO + H₂O ⇌ ClO⁻ + H₃O⁺?
Schritt für Schritt
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und ClO⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt HClO.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
  1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und ClO⁻.
  2. Im Nenner steht das Edukt HClO.
  3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
Ergebnis:
Ks = c(H₃O⁺) · c(ClO⁻) : c(HClO)

AchtungWasser steht im Ausdruck der Säurekonstante

So nicht
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : (c(HA) · c(H₂O))
So richtig
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA). Die Konzentration von Wasser ist praktisch konstant und steckt schon in Ks.

Setze das Lösungsmittel Wasser nicht in den Bruch und schreibe dann den Ausdruck für Ks.

ÜbenJetzt du

  1. ○10
    Wie lautet der Ausdruck für die Säurekonstante Ks der Protolyse HF + H₂O ⇌ F⁻ + H₃O⁺?
    So fängst du an:
    Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und F⁻.
    Lösung zeigen
    1. Im Zähler stehen die Produkte H₃O⁺ und F⁻.
    2. Im Nenner steht das Edukt HF.
    3. Wasser steht nicht im Ausdruck.
    Ergebnis:
    Ks = c(H₃O⁺) · c(F⁻) : c(HF)
  2. ●11
    Für salpetrige Säure gilt pKs = 3,35. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    1. Ks = 10 hoch minus pKs.
    2. Ks = 10 hoch minus 3,35.
    3. Ks = 4,5 · 10⁻⁴ mol/L
    Ergebnis:
    4,5 · 10⁻⁴ mol/L
  3. ★12
    Eine Essigsäurelösung wird bei gleicher Temperatur auf das Zehnfache verdünnt. Wie ändert sich der Wert der Säurekonstante Ks?
    Lösung zeigen
    1. Ks hängt nur von der Temperatur ab.
    2. Beim Verdünnen sinken alle Konzentrationen.
    3. Das Gleichgewicht verschiebt sich zur Seite der Ionen, Ks bleibt gleich.
    Ergebnis:
    Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst

5Ich leite das Ionenprodukt des Wassers her und berechne den pH-Wert starker Säuren.

MerkenpH-Wert

pH = −lg c(H₃O⁺). Eine pH-Stufe ist der Faktor 10. Bei 25 Grad Celsius gilt Kw = 10⁻¹⁴.

BeispielIonenprodukt des Wassers und pH-Wert starker Säuren

Kalkwasser hat die Konzentration c(Ca(OH)₂) = 0,02 mol/L und protolysiert vollständig; jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
Schritt für Schritt
  1. c(OH⁻) = 2 · 0,02 mol/L.
  2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
  3. pH = 12,60
  1. c(OH⁻) = 2 · 0,02 mol/L.
  2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
  3. pH = 12,60
Ergebnis:
12,60

AchtungpH und pOH vertauscht oder falsch verrechnet

So nicht
Natronlauge mit c = 0,001 mol/L hat pH 3.
So richtig
pOH = 3, also pH = 14 − 3 = 11.

Prüfe, ob die Lösung sauer oder basisch ist, und schätze danach den pH-Wert über oder unter 7.

ÜbenJetzt du

  1. ○13
    Bariumhydroxid-Lösung hat die Konzentration c(Ba(OH)₂) = 0,005 mol/L und protolysiert vollständig; jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    So fängst du an:
    c(OH⁻) = 2 · 0,005 mol/L.
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 2 · 0,005 mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
    3. pH = 12,00
    Ergebnis:
    12,00
  2. ●14
    Kalilauge hat die Konzentration c(KOH) = 0,001 mol/L und protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert bei 25 Grad Celsius, auf zwei Nachkommastellen gerundet?
    Lösung zeigen
    1. c(OH⁻) = 1 · 0,001 mol/L.
    2. c(H₃O⁺) = 10⁻¹⁴ mol²/L² : c(OH⁻), also pH = 14 − pOH.
    3. pH = 11,00
    Ergebnis:
    11,00
  3. ★15
    Eine Salzsäure mit pH = 3 wird auf das Hundertfache verdünnt. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert danach?
    Lösung zeigen
    1. Hundertfach verdünnt heißt: zwei Zehnerpotenzen.
    2. c(H₃O⁺) sinkt von 10⁻³ mol/L auf 10⁻⁵ mol/L.
    3. pH = 5
    Ergebnis:
    5

6Ich bestimme mit einer Säure-Base-Titration die Konzentration einer Säure oder Lauge.

MerkenTitration

Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₃O⁺) = n(OH⁻).

Daraus folgt c(Säure) = c(Lauge) · V(Lauge) : V(Säure).

BeispielSäure-Base-Titration

20,0 mL Schwefelsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 100,0 mL. Jedes Schwefelsäure-Molekül gibt zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
Schritt für Schritt
  1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,1000 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0200 L = 0,25 mol/L
  1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,1000 L.
  2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₂SO₄) · 2 = n(NaOH) · 1.
  3. c(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) : 0,0200 L = 0,25 mol/L
Ergebnis:
0,25 mol/L

AchtungVolumen oder Stoffmengenverhältnis in der Titration falsch verrechnet

So nicht
10 mL Schwefelsäure verbrauchen 20 mL Natronlauge gleicher Stärke, also gilt 1 : 1.
So richtig
Am Äquivalenzpunkt gilt n(Säure) mal Zahl der Protonen gleich n(Lauge). Erst Stoffmengen vergleichen, dann durch das Volumen teilen.

Schreib die Reaktionsgleichung auf und lies das Stoffmengenverhältnis ab.

ÜbenJetzt du

  1. ○16
    25,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 15,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    So fängst du an:
    n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0150 L.
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0150 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0250 L = 0,12 mol/L
    Ergebnis:
    0,12 mol/L
  2. ●17
    10,0 mL Essigsäure in Speiseessig werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Natronlauge der Konzentration c = 0,20 mol/L titriert. Verbraucht werden 5,0 mL. Bestimme: Wie groß ist c(CH₃COOH)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,20 mol/L · 0,0050 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(CH₃COOH) · 1 = n(NaOH) · 1.
    3. c(CH₃COOH) = n(CH₃COOH) : 0,0100 L = 0,10 mol/L
    Ergebnis:
    0,10 mol/L
  3. ★18
    Zur Neutralisation von 10,0 mL Schwefelsäure werden 20,0 mL Natronlauge mit c = 0,10 mol/L verbraucht. Schwefelsäure gibt je Molekül zwei Protonen ab. Bestimme: Wie groß ist c(H₂SO₄)?
    Lösung zeigen
    1. n(NaOH) = 0,10 mol/L · 0,0200 L = 0,00200 mol.
    2. H₂SO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + 2 H₂O, also n(H₂SO₄) = ½ · n(NaOH) = 0,00100 mol.
    3. c(H₂SO₄) = 0,00100 mol : 0,0100 L = 0,10 mol/L
    Ergebnis:
    0,10 mol/L

7Ich berechne pOH-Wert, pKB-Wert und den pH-Wert schwacher Säuren und Basen (Leistungskurs).

MerkenSchwache Säuren und Basen

Es gilt pH + pOH = 14. Für schwache Säuren gilt die Näherung pH = ½ · (pKs − lg c₀).

BeispielpOH, pKB und pH-Wert schwacher Säuren und Basen

Eine Lösung hat bei 25 Grad Celsius den pH-Wert 13,1. Bestimme: Wie groß ist ihr pOH-Wert?
Schritt für Schritt
  1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
  2. pOH = 14 − 13,1.
  3. pOH = 0,9
  1. Bei 25 Grad Celsius gilt pH + pOH = 14.
  2. pOH = 14 − 13,1.
  3. pOH = 0,9
Ergebnis:
0,9

AchtungStark mit konzentriert verwechselt

So nicht
Essigessenz ist eine starke Säure, weil sie konzentriert ist.
So richtig
Essigsäure ist schwach: Nur wenige Moleküle geben H⁺ ab. Konzentriert heißt nur: viel davon gelöst.

Nimm zwei Lösungen gleicher Konzentration: Welche hat den kleineren pH-Wert?

ÜbenJetzt du

  1. ○19
    Warum hat eine Essigsäure mit c = 0,1 mol/L einen höheren pH-Wert als eine Salzsäure gleicher Konzentration?
    So fängst du an:
    Essigsäure ist eine schwache Säure.
    Lösung zeigen
    1. Essigsäure ist eine schwache Säure.
    2. Essigsäure protolysiert nur zu einem kleinen Teil.
    3. Daher entstehen weniger Oxonium-Ionen und der pH-Wert ist höher.
    Ergebnis:
    Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab
  2. ●20
    Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert einer Essigsäure mit c₀ = 0,10 mol/L und pKs = 4,76 nach der Näherung für schwache Säuren?
    Lösung zeigen
    1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
    2. pH = ½ · (4,76 − lg 0,10) = ½ · (4,76 + 1,00).
    3. pH = 2,88
    Ergebnis:
    2,88
  3. ★21
    Eine Ammoniaklösung mit c₀ = 0,10 mol/L hat den pKB-Wert 4,75. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert nach der Näherung für schwache Basen (eine Nachkommastelle)?
    Lösung zeigen
    1. Näherung: pOH = ½ · (pKB − lg c₀) = ½ · (4,75 + 1,00) = 2,875.
    2. pH = 14 − pOH.
    3. pH = 14 − 2,875 ≈ 11,1
    Ergebnis:
    11,1

8Ich deute Titrationskurven und erkläre Puffersysteme (Leistungskurs).

MerkenKurve und Puffer

Am Halbäquivalenzpunkt gilt pH = pKs.

Ein Puffer aus schwacher Säure und ihrer Base fängt Säure und Lauge ab.

BeispielTitrationskurven und Puffersysteme

Zu einem Acetat-Puffer aus Essigsäure und Natriumacetat wird eine kleine Menge Salzsäure gegeben. Was geschieht?
Schritt für Schritt
  1. Zugegebene Oxonium-Ionen treffen auf Acetat-Ionen.
  2. CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O.
  3. Aus der Base wird die schwache Säure, der pH-Wert bleibt fast gleich.
  1. Zugegebene Oxonium-Ionen treffen auf Acetat-Ionen.
  2. CH₃COO⁻ + H₃O⁺ → CH₃COOH + H₂O.
  3. Aus der Base wird die schwache Säure, der pH-Wert bleibt fast gleich.
Ergebnis:
Acetat-Ionen nehmen die Oxonium-Ionen auf, der pH-Wert ändert sich kaum

AchtungReaktionspartner als korrespondierendes Paar gedeutet

So nicht
Welches Paar bildet ein Puffersystem → H₂PO₄⁻ und CN⁻
So richtig
Welches Paar bildet ein Puffersystem → NH₄⁺ und NH₃

Schreib zu jedem Teilchen auf, welches Teilchen entsteht, wenn es ein Proton abgibt oder aufnimmt.

ÜbenJetzt du

  1. ○22
    Welches Paar bildet ein Puffersystem?
    So fängst du an:
    Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
    Lösung zeigen
    1. Ein Puffer enthält eine schwache Säure und ihre korrespondierende Base.
    2. Das Paar unterscheidet sich um ein Proton.
    3. NH₄⁺ und NH₃
    Ergebnis:
    NH₄⁺ und NH₃
  2. ●23
    Das Ammonium-Ion (pKs = 9,25) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    1. Am Halbäquivalenzpunkt ist die Hälfte der Säure zu A⁻ geworden.
    2. Dann gilt c(HA) = c(A⁻), und der Bruch im Ks-Ausdruck kürzt sich.
    3. pH = pKs = 9,25
    Ergebnis:
    9,25
  3. ★24
    Ein Puffer enthält Essigsäure und Acetat im Stoffmengenverhältnis 1 : 1. Auf welchen Wert stellt sich der pH-Wert ein?
    Lösung zeigen
    1. Bei c(HA) = c(A⁻) kürzt sich der Bruch im Ks-Ausdruck.
    2. Es bleibt c(H₃O⁺) = Ks.
    3. Also gilt pH = pKs = 4,76.
    Ergebnis:
    Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8

9Ich erkläre mehrstufige Protolyse, den induktiven Effekt und den pH-Wert von Salzlösungen (Leistungskurs).

MerkenStufen, Substituenten, Salze

Jede Protolysestufe ist schwächer als die vorige.

Hydratisierte Metall-Ionen sind Säuren, Anionen schwacher Säuren Basen.

BeispielMehrstufige Protolyse, induktiver Effekt und Salzlösungen

Wie reagiert eine wässrige Lösung von Aluminiumsulfat (Al₂(SO₄)₃)?
Schritt für Schritt
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab, das Sulfat-Ion reagiert kaum.
  3. Also: sauer.
  1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
  2. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab, das Sulfat-Ion reagiert kaum.
  3. Also: sauer.
Ergebnis:
Sauer, das Kation gibt Protonen ab

AchtungJede Salzlösung gilt als neutral

So nicht
Salze sind neutral, weil sie aus Säure und Base entstehen.
So richtig
Salze schwacher Säuren oder Basen reagieren sauer oder basisch, zum Beispiel NH₄Cl sauer und Na₂CO₃ basisch.

Miss den pH-Wert von Salzlösungen und vergleiche mit deiner Vorhersage.

ÜbenJetzt du

  1. ○25
    Phosphorsäure protolysiert in 3 Stufen mit den pKs-Werten 2,16, 7,21, 12,32. Bestimme: Welcher Wert gehört zur ersten Stufe?
    So fängst du an:
    Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    Lösung zeigen
    1. Jede weitere Stufe ist schwächer als die vorige.
    2. Der pKs-Wert wächst von Stufe zu Stufe.
    3. Die erste Stufe hat den kleinsten Wert: 2,16.
    Ergebnis:
    2,16
  2. ●26
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Kaliumchlorid (KCl)?
    Lösung zeigen
    1. Kation und Anion werden getrennt betrachtet, ob sie mit Wasser reagieren.
    2. Kalium-Ionen und Chlorid-Ionen reagieren nicht mit Wasser.
    3. Also: neutral.
    Ergebnis:
    Neutral, kein Ion reagiert mit Wasser
  3. ★27
    Warum reagiert eine Lösung von Aluminiumchlorid sauer?
    Lösung zeigen
    1. Al³⁺ ist von sechs Wassermolekülen umgeben.
    2. Die positive Ladung zieht Elektronen aus den Wassermolekülen.
    3. Daher gibt der Aquakomplex Protonen ab: sauer.
    Ergebnis:
    Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab

Vermischte Übungen

Alles durcheinander – wie in der Arbeit. Überleg bei jeder Aufgabe zuerst: Welches Ziel ist das?

Üben

  1. ●28
    In der Protolyse H₂PO₄⁻ + OH⁻ → HPO₄²⁻ + H₂O gibt es zwei Teilchen mit je einer Rolle. Welche Rolle hat OH⁻?
    Lösung zeigen
    1. Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt eines auf.
    2. OH⁻ wird vor und nach der Reaktion verglichen.
    3. OH⁻ gewinnt ein Proton: Base.
    Ergebnis:
    Base, es nimmt ein Proton auf
  2. ●29
    Das Teilchen H₂O besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und ein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    1. Ein abspaltbares Wasserstoffatom: ja.
    2. Ein freies Elektronenpaar zur Protonenaufnahme: ja.
    3. Beides vorhanden: Ampholyt.
    Ergebnis:
    Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  3. ●30
    Essigsäure hat den pKs-Wert 4,76, Ameisensäure den pKs-Wert 3,75. Welche Säure ist stärker?
    Lösung zeigen
    1. pKs = −lg Ks.
    2. Ein kleinerer pKs-Wert heißt ein größeres Ks.
    3. Ameisensäure ist deshalb die stärkere Säure.
    Ergebnis:
    Ameisensäure, denn ihr pKs-Wert ist kleiner
  4. ●31
    Lösung A hat den pH-Wert 1, Lösung B den pH-Wert 4. Bestimme: Wie viel mal so groß ist c(H₃O⁺) in Lösung A im Vergleich zu Lösung B?
    Lösung zeigen
    1. Unterschied der pH-Werte: 3.
    2. Jede Stufe bedeutet den Faktor 10.
    3. Faktor 10 hoch 3 = 1000
    Ergebnis:
    1000
  5. ●32
    20,0 mL Salzsäure werden bis zum Äquivalenzpunkt mit Bariumhydroxid-Lösung der Konzentration c = 0,10 mol/L titriert. Verbraucht werden 8,0 mL. Jede Formeleinheit liefert zwei Hydroxid-Ionen. Bestimme: Wie groß ist c(HCl)?
    Lösung zeigen
    1. n(Ba(OH)₂) = 0,10 mol/L · 0,0080 L.
    2. Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) · 1 = n(Ba(OH)₂) · 2.
    3. c(HCl) = n(HCl) : 0,0200 L = 0,080 mol/L
    Ergebnis:
    0,080 mol/L
  6. ●33
    Eine Lösung der Ameisensäure (pKs = 3,75) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,1 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
    Lösung zeigen
    1. Näherung für schwache Säuren: pH = ½ · (pKs − lg c₀).
    2. pH = ½ · (3,75 − lg 0,1) = ½ · (3,75 + 1,00).
    3. pH ≈ 2,4
    Ergebnis:
    2,4

Auf einen Blick

MerkenDas Wichtigste

Protolyse
Eine Säure gibt ein Proton ab, eine Base nimmt es auf.
Bau und Funktion
Eine Säure hat ein polar gebundenes Wasserstoffatom, eine Base ein freies Elektronenpaar.
Nachweise
Silbernitrat fällt Chlorid weiß und Bromid gelblich.
Säurekonstante
Ks = c(H₃O⁺) · c(A⁻) : c(HA), Wasser steht nicht im Bruch.
pH-Wert
pH = −lg c(H₃O⁺). Eine pH-Stufe ist der Faktor 10. Bei 25 Grad Celsius gilt Kw = 10⁻¹⁴.
Titration
Am Äquivalenzpunkt gilt n(H₃O⁺) = n(OH⁻).
Schwache Säuren und Basen
Es gilt pH + pOH = 14. Für schwache Säuren gilt die Näherung pH = ½ · (pKs − lg c₀).
Kurve und Puffer
Am Halbäquivalenzpunkt gilt pH = pKs.
Stufen, Substituenten, Salze
Jede Protolysestufe ist schwächer als die vorige.

Kannst du das?

Je Ziel eine Aufgabe. Rechne sie ins Heft, dann kreuz ehrlich an. Keine Punkte, keine Note – der Test ist für dich.

ÜbenSelbsttest

  1. Ich beschreibe Säure-Base-Reaktionen nach Brønsted als Protonenübergang und finde korrespondierende Säure-Base-Paare.

    34
    In der Reaktion CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺ gibt es zwei korrespondierende Paare. Welche sind es?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O

  2. Ich leite aus dem Bau eines Teilchens ab, ob es als Säure, als Base oder amphoter wirkt.

    35
    Das Teilchen CH₃NH₃⁺ besitzt ein polar gebundenes Wasserstoffatom und kein freies Elektronenpaar, mit dem ein Proton gebunden werden kann. Welche Funktion kann es nach Brønsted übernehmen?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen

  3. Ich weise Chlorid-, Bromid-, Carbonat-, Hydroxid-, Oxonium- und Ammonium-Ionen nach.

    36
    Welches Ion zeigt die folgende Beobachtung an? Ein Tropfen der Lösung färbt Universalindikatorpapier rot.
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Oxonium-Ionen

  4. Ich wende das Massenwirkungsgesetz auf Protolysen an und deute Säurekonstante und pKs-Wert.

    37
    Für das Ammonium-Ion gilt pKs = 9,25. Welche Säurekonstante Ks ergibt sich daraus?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    5,6 · 10⁻¹⁰ mol/L

  5. Ich leite das Ionenprodukt des Wassers her und berechne den pH-Wert starker Säuren.

    38
    Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 0,001 mol/L protolysiert vollständig. Bestimme: Wie groß ist ihr pH-Wert bei 25 Grad Celsius?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    11

  6. Ich bestimme mit einer Säure-Base-Titration die Konzentration einer Säure oder Lauge.

    39
    Bei der Titration von Salzsäure mit Natronlauge schlägt der Indikator um. Was gilt in diesem Moment, dem Äquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Die Stoffmenge an Hydroxid-Ionen ist gleich der Stoffmenge an Oxonium-Ionen

  7. Ich berechne pOH-Wert, pKB-Wert und den pH-Wert schwacher Säuren und Basen (Leistungskurs).

    40
    Eine Lösung der Flusssäure (pKs = 3,14) hat die Anfangskonzentration c₀ = 0,2 mol/L. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert nach der Näherung für schwache Säuren, auf eine Nachkommastelle gerundet?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    1,9

  8. Ich deute Titrationskurven und erkläre Puffersysteme (Leistungskurs).

    41
    Blausäure (pKs = 9,21) wird mit Natronlauge titriert. Bestimme: Wie groß ist der pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    9,21

  9. Ich erkläre mehrstufige Protolyse, den induktiven Effekt und den pH-Wert von Salzlösungen (Leistungskurs).

    42
    Wie reagiert eine wässrige Lösung von Ammoniumnitrat (NH₄NO₃)?
    Lösung zeigen
    Ergebnis:
    Sauer, das Kation gibt Protonen ab

Bei „unsicher“ oder „noch nicht“: Lies den Abschnitt zum Ziel noch einmal und rechne seine drei Aufgaben.

Wörter

Bruch
ein Teil von einem Ganzen, als Zahl geschrieben
Funktion
eine Regel, die aus einer Zahl eine andere macht

Lösungen

  1. CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O
  2. NH₃, das Ammoniak
  3. Hin- und Rückreaktion laufen gleichzeitig und stellen ein Gleichgewicht ein
  4. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  5. Nur Base, es kann Protonen aufnehmen, aber nicht abgeben
  6. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  7. Universalindikatorpapier färbt sich beim Eintauchen rot
  8. Mit Silbernitratlösung entsteht ein weißer Niederschlag, der sich in verdünnter Ammoniaklösung sehr gut löst
  9. Erst mit Salpetersäure ansäuern, bis kein Gas mehr entweicht, dann Silbernitrat zugeben
  10. Ks = c(H₃O⁺) · c(F⁻) : c(HF)
  11. 4,5 · 10⁻⁴ mol/L
  12. Er bleibt gleich, nur der Anteil protolysierter Säure wächst
  13. 12,00
  14. 11,00
  15. 5
  16. 0,12 mol/L
  17. 0,10 mol/L
  18. 0,10 mol/L
  19. Nur ein kleiner Teil der Essigsäure-Moleküle gibt ein Proton ab
  20. 2,88
  21. 11,1
  22. NH₄⁺ und NH₃
  23. 9,25
  24. Auf den pKs-Wert der Essigsäure, also etwa 4,8
  25. 2,16
  26. Neutral, kein Ion reagiert mit Wasser
  27. Das hydratisierte Aluminium-Ion gibt Protonen an Wasser ab
  28. Base, es nimmt ein Proton auf
  29. Ampholyt, es kann Protonen abgeben und zugleich aufnehmen
  30. Ameisensäure, denn ihr pKs-Wert ist kleiner
  31. 1000
  32. 0,080 mol/L
  33. 2,4
  34. CH₃COOH mit CH₃COO⁻ sowie H₃O⁺ mit H₂O
  35. Nur Säure, es kann Protonen abgeben, aber nicht aufnehmen
  36. Oxonium-Ionen
  37. 5,6 · 10⁻¹⁰ mol/L
  38. 11
  39. Die Stoffmenge an Hydroxid-Ionen ist gleich der Stoffmenge an Oxonium-Ionen
  40. 1,9
  41. 9,21
  42. Sauer, das Kation gibt Protonen ab